Одной из разновидностей полупроводниковых приборов являются полупроводниковые интегральные микросхемы – монолитные функциональные приборы, все элементы которых изготавливаются в едином технологическом цикле. Интегральные микросхемы предназначены для выполнения различных операций, как с аналоговыми, так и с цифровыми электрическими сигналами. Среди интегральных микросхем, предназначенных для обработки аналоговых электрических сигналов, важнейшее место занимает операционный усилитель (ОУ) - полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления напряжения и обеспечивающий выполнение различных операций по преобразованию аналоговых электрических сигналов: усиление, сложение, вычитание, интегрирование, дифференцирование и т.д. Возможность выполнения этих операций ОУ определяется наличием цепей положительной и/или отрицательной обратной связи, в состав которых могут входить сопротивления, емкости, индуктивности, диоды, стабилитроны, транзисторы и некоторые другие электронные элементы. Типовой ОУ представляет собой дифференциальный усилитель с очень высоким коэффициентом усиления. На рис. 36 показано условное обозначение ОУ на принципиальных схемах.
Рис. 36. Условное графическое обозначение ОУ.
На рис.35 использованы следующие обозначения: «-» - инвертирующий вход ОУ; «+» - не инвертирующий вход ОУ; U_ - напряжение на инвертирующем входе; U+ - напряжение на не инвертирующем входе; UВЫХ - выходное напряжение ОУ; +EП - положительное напряжение питания ОУ; -EП - отрицательное напряжение питания.
Поскольку ОУ используются как преобразователи сигналов, к их характеристикам предъявляются определенные требования. В основном эти требования сводятся к тому, чтобы характеристики наилучшим образом соответствовали характеристикам идеального ОУ. Идеальный операционный усилитель обладает следующими свойствами:
- коэффициент передачи ОУ без обратной связи равен бесконечности;
- входной ток равен нулю;
- напряжение смещения и ток смещения нуля на выходе ОУ равны нулю;
- входное сопротивление ОУ равно бесконечности;
- выходное сопротивление ОУ равно нулю.
Для вывода математических соотношений, описывающих работу реальных ОУ в различных режимах, можно применить модель идеального операционного усилителя.
Выходное напряжение ОУ определяется выражением:
,
где А - коэффициент передачи усилителя, не охваченного обратной связью; U-- - напряжение на инвертиртирующем входе; U+ - напряжение на неинвертиртирующем входе.
Минус перед коэффициентом передачи А показывает, что сигналы на выходе и входе имеют противоположный знак. Коэффициент передачи А можно вычислить как отношение величины выходного напряжения Uвых. к разности значений входных напряжений ∆U. Для реальных ОУ коэффициент передачи на постоянном токе колеблется в пределах от 10 000 до 2 000 000.
Большинство ОУ имеют биполярный выход. Это означает, что выходной сигнал может иметь как положительную, так и отрицательную полярность. Поэтому для нормальной работы ОУ требуются два источника питания.
Выходное напряжение никогда не может превысить напряжение питания (-Uп. < Uвых.<+Uп.). Как правило, максимальное выходное напряжение ОУ на доли вольта меньше напряжения питания. Это ограничение известно как напряжение ограничения (положительное Uогр. + и отрицательное Uогр.-- ).
При высоком значении коэффициента передачи достаточно трудно управлять усилителем и удерживать его от перехода в режим насыщения выходного сигнала. С помощью внешних цепей часть выходного сигнала можно направить обратно на вход, т.е. организовать обратную связь. Применяя отрицательную обратную связь, когда сигнал с выхода усилителя приходит на вход в противофазе с входным сигналом, можно сделать усилитель более стабильным. Однако это приводит к снижению коэффициента передачи по сравнению с усилителем без обратной связи. Обычно схемы ОУ с цепью обратной связи имеют коэффициент передачи от 10 до 1000, т.е. меньше, чем собственный коэффициент передачи ОУ
более, чем в тысячу раз. Если обратная связь положительна,
усилитель переходит в режим генерирования колебаний, т.е. становится автогенератором.
,